CN203504472U

CN203504472U - 一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置

Info

Publication number: CN203504472U
Application number: CN201320626088.9U
Authority: CN
Inventors: 陈国强; 康件丽; 赵俊伟; 陈水生; 杨伟东
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2023-10-11

Abstract

本实用新型公开了空间矢量脉冲宽度调制试验装置，直流电源通过直流调压单元进入逆变模块，交流电源进入负载模块，各个检测子模块的信号输出端连接控制系统模块，控制系统模块将产生的直流调压的控制信号通过隔离驱动输出到直流调压单元，控制系统模块将产生的逆变模块的控制信号通过隔离驱动输出到逆变模块，逆变模块的信号输出端连接永磁同步电机；控制系统模块将产生的负载模块的控制信号输出到负载模块，负载模块连接永磁同步电机。本实用新型充分利用了FPGA的电路定制与并行执行特性，减少了硬件系统芯片的数目，提高了系统的可靠性与灵活性，方便系统更新。

Description

一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置

技术领域

本实用新型涉及空间矢量脉冲宽度调制领域，尤其涉及一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置。

背景技术

逆变器可将直流电源转化为频率和幅值可变的交流电源，由于如图1所示的逆变器具有结构简单、实现方便等优点，几乎成了两电平三相逆变器的标准配置，广泛应用于电动汽车等工农业生产调速的场合。采用的空间矢量脉冲宽度调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)是基于“伏-秒平衡”的原理，用占空比不断变换的高频电压脉冲按照时间平均来等效命令电压。

基于平均意义上的电压等效，SVPWM只规定了基本电压矢量作用的时间，并未规定其作用的顺序及分布，这就为大量调制策略的出现提供了可能。而逆变器中功率开关管的开关特性及脉冲宽度调制(PWM)的原理决定了死区、谐波等不可避免，死区及谐波带来了能量损耗、转矩脉动、电磁辐射、声频噪声等一系列问题。因此，出现了一系列优化技术，除了共有的优化目标外，针对不同的应用又有特有的优化目标，因此出现了大量的调制策略。两个零矢量作用时间可以按照任意比例进行分配，可以分为多个时间段进行作用；非零基本电压矢量作用时间也可分为多段进行；作用次序可以任意排列；在“伏-秒平衡”中，开关频率是自由变量，其可以进行优化或随机化。但是无论哪种策略都无法彻底消除死区及谐波，只能减小其影响。如，非连续PWM(DPWM)可以减小开关损耗，但是可能带来谐波畸变增加；随机SVPWM能大幅度减小集簇谐波的频谱峰值，进而提高电磁兼容性，但其频谱扩展特性可能会将谐波扩展到不希望的频段，还有可能增加谐波畸变；优化SVPWM可以在获得较小谐波畸变的同时提高电磁兼容性，但是带来了控制器(如比例积分控制器，即PI控制器)参数变动等问题，使控制系统复杂化。

逆变器的正常运行过程是在确定的时间里有规则地使6个功率开关管导通、关断，从而生成需要的电压脉冲。图1所示逆变器中，每相上下两个开关管成互补导通。不同的开关状态可以形成8个基本的电压矢量，包括6个非零基本电压矢量（

Figure 2013206260889100002DEST_PATH_IMAGE001

）和2个零电压矢量（

），如图2所示。图2中：1表示上臂开关管导通，0表示下臂开关管导通。以6个非零基本电压矢量的端点为顶点的正六边形可分为如图2所示的6个扇区。任何一个位于图2所示的正六边形内的电压矢量，都可由所处扇区边界的两个非零基本电压矢量及零电压矢量（

）按照时间平均合成得到。为了减少开关次数、提高输出电压的品质，如在扇区

中矢量作用顺序是：

将置于开关周期的两端，置于中间；有的调制策略中两个零矢量只选一个作用。目前讨论最多、已广泛应用、具有代表性、或具有实用价值的SVPWM策略中，可归纳如下：

(1) 传统的SVPWM：两个零矢量作用时间，相等，都等于零矢量总作用时间的1/2，并且均匀地分配在周期的两端。三相上臂开关管开关脉冲的波形如图2所示。

(2) 非连续SVPWM，简称DPWM：图2中三相上臂开关脉冲中高电平最宽的脉冲在一个调制周期内一直为高电平，或高电平最窄的脉冲在一个调制周期内一直为低电平，可保证在每一时刻总有一相开关不动作。则开关次数约为原来的2/3，因此开关损耗可减小约1/3或减小更多。也就是说，在相同的开关损耗下，开关频率可以提高到以前的约3/2倍。

DPWMMIN：不使用零矢量

，即

，；

DPWMMAX：不使用零矢量，即

，

；

DPWM0：在图2中，以

开始划分，每

为一个区，交替选择零矢量

、

。即，在扇区

中使用

，在扇区

中使用；

DPWM1：以

开始划分，每

为一个区，交替选择零矢量

、；

DPWM2：以

开始划分，每

为一个区，交替选择零矢量

、。即，在扇区

中使用，在扇区

中使用；

DPWM3：以

开始划分，每为一个区，交替选择零矢量

、

；

其他DPWM：自由设定开始划分的角度。

(3) 随机SVPWM：开关频率、脉冲定位方式、两个零矢量作用时间分配方式等一个或几个因素进行随机化。包括：

随机开关频率SVPWM：开关频率

随机化；

随机脉冲位置SVPWM：在第

扇区中，A相的高电平在整个开关周期内可以随机移动；B相的高电平在A相高电平限制的范围内可以随机移动；C相的高电平在B相高电平限制的范围内可以随机移动；这三相可以只选择一相、两相、三相随机。其他扇区中类似；

随机零矢量分配SVPWM：两个零矢量和的作用时间在比例上随机化；

混合随机SVPWM：以上三种随机方式任意两种或三种混合。

(4) 优化SVPWM。针对SVPWM涉及的因素进行优化，主要包括：

零矢量分配因子优化SVPWM：以谐波畸变最小为目标，对

和

的作用时间分配比例进行优化；

开关周期/频率优化SVPWM：以谐波畸变最小为目标，对开关周期/频率进行优化。

上述SVPWM技术都是基于逆变器母线电压恒定或被动地实时检测母线电压，进行计算，进而产生6路控制脉冲；在母线电压的控制方面并不考虑命令电压矢量的具体值。实际上，对于相同的命令电压矢量，不同的母线电压下，逆变器输出交流电的品质有很大的差异。这为新调制策略的开发及逆变器性能的改善提供了广阔的空间。对不同的调制策略进行实验对比、定性定量评价是合理选择调制策略与研发新调制策略的基础。但是，目前所有公开的文献中，未见到有能够集成大量空间矢量脉宽调制策略的试验装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置，能够进行大量现有调制策略的实验。

本实用新型采用下述技术方案：一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置，包括控制系统模块、检测模块、逆变模块、负载模块与永磁同步电机，直流电源通过直流调压单元进入逆变模块，交流电源进入负载模块，其中所述的检测模块包括测量直流电源输出端的母线电压、电流测量子模块、逆变模块的温度与故障检测子模块、永磁同步电机的电流测量子模块、转子位置测量子模块和扭矩测量子模块，所述各个检测子模块的信号输出端连接控制系统模块，控制系统模块将产生的直流调压的控制信号通过隔离驱动输出到直流调压单元，控制系统模块将产生的逆变模块的控制信号通过隔离驱动输出到逆变模块，逆变模块的信号输出端连接永磁同步电机；控制系统模块将产生的负载模块的控制信号输出到负载模块，负载模块连接永磁同步电机。

所述的控制系统模块包括计算机、CAN卡、控制器与电可擦写存储器，所述的计算机通过CAN卡与控制器连接，控制器连接有电可擦写存储器。

所述的控制器预制有调制策略，所述的调制策略包括有：(1)、传统的SVPWM，即两个零矢量作用时间均分；(2)、DPWM0；(3)、DPWM1；(4)、DPWM2；(5)、DPWM3；(6)、DPWMMAX；(7)、DPWMIN；(8)、其他DPWM；(9)、随机开关频率SVPWM；(10)、随机零矢量分配SVPWM；(11)、随机脉冲位置SVPWM；(12)、混合随机SVPWM；(13)零矢量分配因子优化SVPWM；这13种策略均有直流母线电压优化与不优化两种选择；除了(9)、(12)这两种调制策略外，其他11种调制策略均有开关周期优化与不优化两种选择。

所述的检测模块还包括有永磁同步电动机的噪声测量子模块，噪声测量子模块的信号输出端连接计算机，计算机进行声学分析。

所述的负载模块包括变频调速子模块、负载电动机与联轴器，所述的变频调速子模块的信号控制端连接控制器，变频调速子模块的信号输出端连接负载电动机，负载电动机的输出轴通过联轴器连接永磁同步电动机的输出轴，所述的扭矩测量子模块设置在永磁同步电动机的输出轴上。

所述的转子位置测量子模块采用编码器，编码器设置在永磁同步电动机的转子上。

本实用新型提供了一种空间矢量脉宽调制策略试验装置，可进行预置的40余种调制策略的实验研究，并可将多种策略进行组合，实现了系统集成，方便了电机控制算法与调制策略的实验对比研究。还可以进行调制策略的定制，特别方便。其中控制器采用了FPGA芯片，充分利用了FPGA的电路定制与并行执行特性，提高了控制软件执行的速度，同时也减少了硬件系统芯片的数目，提高了系统的可靠性与灵活性，方便系统更新。

由于基于空间矢量脉冲宽度调制的逆变系统产生很强的电磁干扰，在控制参数检测的过程中需要传输大量的信息，本实用新型采用CAN总线为计算机和控制器通信，具有很强的抗干扰性及大的数据吞吐能力。

附图说明

图1为两电平三相逆变器的示意图；

图2为基本电压矢量及合成方法示意图；

图3为本实用新型的装置结构图。

具体实施方式

如图3所示，本实用新型公开了一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置，包括控制系统模块1、检测模块2、逆变模块3、负载模块4与永磁同步电机5，直流电源通过直流调压单元32进入逆变器33，交流电源进入负载模块4，其中所述的检测模块2包括母线电压、电流测量子模块21、逆变模块的温度与故障检测子模块22、永磁同步电机的电流测量子模块23、转子位置测量子模块24和扭矩测量子模块25、永磁同步电动机的噪声测量子模块26，所述各个检测子模块的信号输出端连接控制系统模块1，控制系统模块1将产生的直流调压的控制信号通过隔离驱动31输出到直流调压单元32，控制系统模块1将产生的逆变模块的控制信号通过隔离驱动34输出到逆变器33，控制逆变器33产生三相交流电压脉冲，逆变器33驱动永磁同步电动机5；控制系统模块1将产生的负载模块的控制信号输出到负载模块4，负载模块4连接永磁同步电机5。

其中所述的控制系统模块1包括计算机11、CAN卡12、控制器13与电可擦写存储器14，所述的计算机1通过CAN卡12与控制器13连接，控制器13连接有电可擦写存储器14。

所述的负载模块4包括变频调速子模块41、负载电动机42与联轴器43，所述的变频调速子模块41的信号控制端连接控制器13，变频调速子模块41的信号输出端连接负载电动机42，负载电动机42的输出轴通过联轴器43连接永磁同步电动机5的输出轴。永磁同步电动机5是控制系统模块的控制对象，负载模块4接受来自控系统制模块的速度、扭矩等控制信号，产生对应的转速、扭矩输出，充当永磁同步电动机5的负载。所述的扭矩测量子模块25设置在永磁同步电动机5的输出轴上。所述的转子位置测量子模块24采用编码器，编码器设置在永磁同步电动机5的转子上。

所述检测模块用来检测状态信号及电机闭环控制需要的反馈信号，其中母线电压、电流测量子模块21检测直流母线电流与电压，将其送入控制系统模块1供SVPWM优化算法及频谱分析时使用；逆变模块的温度与故障检测子模块22用于检测功率开关管的温度、故障等信息，以保护试验装置；永磁同步电机的电流测量子模块23、转子位置测量子模块24和扭矩测量子模块25、分别检测永磁同步电动机5的三相电流、转子位置、输出扭矩，将其送入控制系统模块1供电机控制算法及频谱分析时使用。由于不同的调制策略下，逆变器输出的三相高频电压脉冲信号的占空比等特性差异很大，这就导致永磁同步电动机5输出电磁转矩、声频噪声等的巨大差异，因此本实用新型提供的噪声测量子模块26将测量的噪声信号直接传送给计算机11，计算机11记录噪声信号，进行声学分析，并在显示器上实时显示，也可存储于硬盘，以便不同调制策略间进行对比研究，定性定量评价时使用。检测模块的测量分为高速测量与低速测量，分别为在一个调制周期内采样一次及很多次。运行在控制器中的闭环控制算法需要的反馈为低速测量信号：一个调制周期内的三相电流、转子位置、直流母线电压、电机输出扭矩，这些信号只需要在一个调制周期内采样一次即可，这部分测量数据直接送控制器13中；而计算机11在进行不同调制策略微观比较及频谱分析时需要高速测量信号，三相电流、直流母线电压与电流仅在一个调制周期内采样一次是远远不够的，需要采样很多次，为了减小CAN总线通讯的负荷，这部分检测数据直接送计算机11中。

控制器13接收来自计算机11的参数设置等信息，并将部分需要保存的信息，如比例积分(PI)控制器参数、永磁同步电动机5的参数、定制调制策略等，存储于电可擦写存储器14中，待控制及调制算法运行的过程中从电可擦写存储器14中读取这些信息；控制器13根据计算机11设定的4种控制算法：转矩控制、速度控制、位置控制、d、q轴电流控制，自动选择运行对应的闭环控制算法；控制算法中需要的PI控制器、永磁同步电动机5、开关周期优化表格、随机SVPWM中需要的随机数、母线电压优化参数等的信息直接由计算机11设定，或直接从电可擦写存储器14中读取；闭环控制系统需要实时反馈的信息，直接从电压与电流测量子模块21、电流测量子模块23、转子位置测量子模块24、扭矩测量子模块25中获得；控制器13在每个开关周期(调制周期)内通过CAN卡12，用CAN总线将实时采集到的永磁同步电机5的三相电流、转子位置、输出转矩、d轴与q轴实际电流、逆变器温度与故障、直流母线电压等信息传送给计算机11；控制器13的闭环控制算法中将生成目标电压矢量，根据计算机11设定的调制策略及相应的参数产生隔离驱动子模块34所需要的6路开关脉冲控制信号及隔离驱动31所需要的开关脉冲控制信号；控制器13实时获取温度与故障检测子模块22输出的逆变器子模块33温度及故障信息，若逆变器出现异常，则停机报警，并在计算机11的显示器上显示。

本实用新型提供的空间矢量脉冲宽度调制试验装置，所有的控制操作都在计算机11上进行，操作方便，并能可视化显示实时的控制信息，并能够在一个台装置上进行大量的调制策略实验研究，而且本装置具有很强的抗干扰性与扩充性。通过计算机11可以完成调制策略、控制方法等的选择及相关参数的设置，并实时显示永磁同步电动机5的三相电流值、输出转矩、母线电压值与电流、噪声等及一些量的频谱信息，并可以将这些结果进行打印、保存，并在需要的时候进行回放。

其中所述的调制策略包括有：(1)、传统的SVPWM，即两个零矢量作用时间均分；(2)、DPWM0；(3)、DPWM1；(4)、DPWM2；(5)、DPWM3；(6)、DPWMMAX；(7)、DPWMIN；(8)、其他DPWM；(9)、随机开关频率SVPWM；(10)、随机零矢量分配SVPWM；(11)、随机脉冲位置SVPWM；(12)、混合随机SVPWM；(13)零矢量分配因子优化SVPWM；这13种策略均有直流母线电压优化与不优化两种选择；除了(9)、(12)这两种，其他11种策略均有开关周期优化与不优化两种选择。本试验装置还提供了调制策略的定制功能，其方法是：将矢量的作用方式、周期参数、优化方法、随机变量的分布形式等数据在计算机11上，制作为文本文件或Excel文件固定的数据格式，通过CAN卡12发送到控制器13中，在控制器13的控制下将这些参数存储于电可擦写存储器14中。

需要注意的是，上述具体实施例仅仅是示例性的，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形（例如将电可擦写存储器E2PROM变为Flash存储器，将直流调压单元32变为可控整流子模块，或将永磁同步电动机5变为其他类型的电动机，或将负载模块4变为磁粉制动模块，将计算机11变为嵌入式控制系统等），而这些改进或者变形均落在本实用新型的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本实用新型的目的，并非用于限制本实用新型。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种空间矢量脉冲宽度调制试验装置，其特征在于：包括控制系统模块、检测模块、逆变模块、负载模块与永磁同步电机，直流电源通过直流调压单元进入逆变模块，交流电源进入负载模块，其中所述的检测模块包括测量直流电源输出端的母线电压、电流测量子模块、逆变模块的温度与故障检测子模块、永磁同步电机的电流测量子模块、转子位置测量子模块和扭矩测量子模块，所述各个检测子模块的信号输出端连接控制系统模块，控制系统模块将产生的直流调压的控制信号通过隔离驱动输出到直流调压单元，控制系统模块将产生的逆变模块的控制信号通过隔离驱动输出到逆变模块，逆变模块的信号输出端连接永磁同步电机；控制系统模块将产生的负载模块的控制信号输出到负载模块，负载模块连接永磁同步电机。

2.根据权利要求1所述的空间矢量脉冲宽度调制试验装置，其特征在于：所述的控制系统模块包括计算机、CAN卡、控制器与电可擦写存储器，所述的计算机通过CAN卡与控制器连接，控制器连接有电可擦写存储器。

3.根据权利要求2所述的空间矢量脉冲宽度调制试验装置，其特征在于：所述的检测模块还包括有永磁同步电动机的噪声测量子模块，噪声测量子模块的信号输出端连接计算机。

4.根据权利要求3所述的空间矢量脉冲宽度调制试验装置，其特征在于：所述的负载模块包括变频调速子模块、负载电动机与联轴器，所述的变频调速子模块的信号控制端连接控制器，变频调速子模块的信号输出端连接负载电动机，负载电动机的输出轴通过联轴器连接永磁同步电动机的输出轴，所述的扭矩测量子模块设置在永磁同步电动机的输出轴上。

5.根据权利要求4所述的空间矢量脉冲宽度调制试验装置，其特征在于：所述的转子位置测量子模块采用编码器，编码器设置在永磁同步电动机的转子上。